關(guān)于整體夾套導(dǎo)流圈設(shè)置原則的探討

陳庭清

（上海遠(yuǎn)躍制藥機(jī)械有限公司，上海 201716）

0 引言

在制藥裝備領(lǐng)域，夾套容器經(jīng)常被用于工藝介質(zhì)的熱傳遞過(guò)程，而整體夾套由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用相對(duì)較廣。一般而言，為了獲得更好的傳熱效果，整體夾套需要設(shè)置螺旋導(dǎo)流圈，但導(dǎo)流圈的設(shè)置并沒有一個(gè)統(tǒng)一規(guī)范的方法，本文通過(guò)討論夾套內(nèi)熱流體的壓力降情況來(lái)提出一種設(shè)置準(zhǔn)則，以期使設(shè)計(jì)工作規(guī)范化。

1 基本假設(shè)

典型的帶螺旋導(dǎo)流圈的整體夾套如圖1所示，b為導(dǎo)流圈的節(jié)距，s為夾套的寬度，流體的流動(dòng)通道為b×s，顯然這是一個(gè)四邊形的截面，且這個(gè)截面將是螺旋向下延伸的，這種情況使其比普通管輸送流體的模型更加難以分析。

圖1 典型的帶螺旋導(dǎo)流圈的整體夾套

假設(shè)夾套內(nèi)的加熱介質(zhì)為0.20 MPa的飽和水蒸氣，氣體流速取15m/s，由此開始討論其在流動(dòng)時(shí)摩擦阻力所引起的壓頭損失情況。

2 計(jì)算流程

2.1 基本公式的推導(dǎo)

（1）圓截面直管計(jì)算壓力降的基本方程：

式中 ΔP——壓力降，kPa；

f——范寧摩擦因子；

L——流體運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度，m；

D——圓管直徑，m；

u——夾套內(nèi)流體的速度，取15m/s；

ρ——夾套內(nèi)流體的密度，取1.15 kg/m3；

λ——無(wú)因次摩擦因子；

n——螺旋導(dǎo)流圈的圈數(shù)；

Di——圓筒的內(nèi)直徑，m；

De′——當(dāng)量直徑，m；

b——螺旋導(dǎo)流圈的節(jié)距，m。

顯然，上述模型與該方程是有一定的出入的，首先模型通道截面為四邊形，其次模型中的流體流動(dòng)軌跡并不是直線，所以需要將該方程進(jìn)行修正。

（2）當(dāng)量直徑的確定：

當(dāng)四邊形的長(zhǎng)徑比過(guò)大時(shí)，水力半徑為1/2通道寬度，則De′=4×0.5×0.5=0.1m。

（3）流體雷諾數(shù)的確定：

（4）摩擦因子λ的確定：

當(dāng)Re≥2 000時(shí)，摩擦因子與Re及管壁粗糙度ε均有關(guān)系，湍流λ可分成3個(gè)區(qū)域：水力光滑管區(qū)、過(guò)渡區(qū)及水力平方區(qū)。

查閱文獻(xiàn)［1］，取ε＝0.02～0.1 mm，前文已述De′=0.1m，則∈（0.2e-3～1e-3）。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的判斷，λ會(huì)位于過(guò)渡區(qū)，則會(huì)有：

式中 λ——無(wú)因次摩擦因子；

ε——當(dāng)量粗糙度，mm；

Re——雷諾數(shù)；

De′——當(dāng)量直徑，m；

D——圓管直徑，m。

（5）螺旋通道的特殊考慮。流體在螺旋形路徑中流動(dòng)時(shí)，流體會(huì)在垂直于流動(dòng)方向（流動(dòng)截面上）產(chǎn)生二次流，從而使螺旋管的阻力大于等長(zhǎng)度的直管，查閱文獻(xiàn)［2］，需以螺旋管的摩擦因子λ代入式（4）。

2.2 計(jì)算管路壓降

前面已述，飽和水蒸氣在夾套內(nèi)的流動(dòng)為湍流，則：

式中 λ——無(wú)因次摩擦因子；

Re——雷諾數(shù)；

r——螺旋管的當(dāng)量半徑，m；

R——螺旋管的曲率半徑，m；

De′——當(dāng)量直徑，m；

Di——圓筒的內(nèi)直徑，m。

由以上內(nèi)容可以得知，在工藝流體已經(jīng)固定的情況下，壓力降只與節(jié)距b或者圓筒上設(shè)置的螺旋導(dǎo)流圈圈數(shù)n及圓筒直徑Di有關(guān)，即：

式中 ΔP——壓力降，kPa；

n——螺旋導(dǎo)流圈的圈數(shù)；

Di——圓筒的內(nèi)直徑，m。

3 案例分析

選取幾個(gè)比較常見的圓筒規(guī)格500mm、600mm、70 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm、1 600mm作案例，容器的高徑比取2:1，圈數(shù)設(shè)置為1.5、2、3、4、5圈進(jìn)行方析，可以得到分析結(jié)果（圖2）。

從圖2不難看出，當(dāng)導(dǎo)流圈數(shù)增加時(shí)，壓力降呈直線上升，而當(dāng)容器直徑達(dá)到1 200mm時(shí)，即使設(shè)置較少的導(dǎo)流圈，過(guò)高的壓力降仍不能避免。

4 結(jié)語(yǔ)

在整體夾套容器設(shè)置導(dǎo)流圈時(shí)應(yīng)考慮圈數(shù)與直徑的影響，在不需要導(dǎo)流圈參與筒體外壓降時(shí)，圈數(shù)可以盡量少，可以以筒體直徑作為導(dǎo)流圈的節(jié)距進(jìn)行設(shè)置，而直徑1 200 mm或以上的容器則不宜再使用整體夾套，而應(yīng)根據(jù)操作工況考慮選擇其他型式的夾套。

圖2 案例分析結(jié)果

［1］時(shí)均，汪家鼎，于國(guó)琮，等.化學(xué)工程手冊(cè)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，1996

［2］氣體加工和供應(yīng)者協(xié)會(huì).氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.石油工業(yè)出版社，1984

［3］HG/T20569—1994 機(jī)械攪拌設(shè)備［S］